對(duì)電子設(shè)計(jì)的有益追求，從來(lái)沒(méi)有比翻轉(zhuǎn)評(píng)論“如果......”更令人滿意的了。進(jìn)入一個(gè)為您的想法注入生命的電路。然而，沒(méi)有什么比設(shè)計(jì)完美的電路更令人沮喪的了，當(dāng)太陽(yáng)出來(lái)時(shí)，它變得完全沒(méi)用了。不管你喜不喜歡，很少有設(shè)計(jì)師能夠奢侈地知道他們的電路將在受控環(huán)境中使用。除了在工作臺(tái)上運(yùn)行電路外，工程師還必須將其設(shè)計(jì)為在溫度、濕度、元件公差以及有時(shí)用戶情緒波動(dòng)的規(guī)格范圍內(nèi)工作。

任何賽道都可以忍受的最糟糕的環(huán)境可能是在汽車引擎蓋下。在那里，電路受到振動(dòng)、潮濕、化學(xué)物質(zhì)（令人討厭的）和巨大的溫度波動(dòng)的影響?？紤]到這一點(diǎn)，作者著手設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)記錄儀，測(cè)量汽車引擎蓋下的溫度，平均一個(gè)月的駕駛時(shí)間 - 讓他準(zhǔn)確地看到引擎蓋下的溫度。該電路牢固地安裝在汽車的電池架上，無(wú)人看管，在英國(guó)非常平均的四月里，每十分鐘記錄一次溫度，白天和黑夜。傳奇，從概念到最終結(jié)果，詳述如下。

組件選擇

最初的概念電路由溫度傳感器、微控制器、非易失性存儲(chǔ)器、振蕩器、升壓控制器和UART組成。

選擇的溫度傳感器MAX6576提供PWM輸出，無(wú)需外部緩沖，與類似的模擬輸出器件相比具有優(yōu)異的抗擾度。因此，可以與簡(jiǎn)單的微處理器（無(wú)需ADC或其他組件）建立簡(jiǎn)單的接口。MAX6576的可編程脈沖寬度允許10us/°K、40us/°K、160us/°K和640us/°K的溫度讀數(shù)。對(duì)于此應(yīng)用，脈沖寬度設(shè)置為 160us/°K，因?yàn)檫@簡(jiǎn)化了處理器代碼循環(huán)。其靜態(tài)電流典型值為 140μA，因而適合電池供電型數(shù)據(jù)記錄器。事實(shí)上，MAX6576的低靜態(tài)電流允許其由處理器的端口引腳供電，允許在不使用時(shí)輕松關(guān)斷器件。

圖1.升壓轉(zhuǎn)換器在其自舉模式下工作，從而提高了其效率。低功耗比較器降低了用于為微處理器提供時(shí)鐘的32kHz振蕩器的電流消耗。

基于閃存的 Atmel AVR AT90S2313 微控制器提供多功能指令集，使其易于在需要低處理器開銷的電路中使用。它包括一個(gè)8位定時(shí)器（在本設(shè)計(jì)中用于測(cè)量MAX6576的輸出）和一個(gè)16位定時(shí)器（用于測(cè)量采樣間隔2313分鐘）。處理器在低功耗模式下空閑，僅在中斷時(shí)喚醒，從而進(jìn)一步降低電源電流。乍一看，'2313 似乎為這項(xiàng)任務(wù)提供了太多的 I/O;然而，考慮到電路以后可能需要擴(kuò)展到更大的系統(tǒng)中，'<>提供了大量的“面向未來(lái)”。

AT90S2313的一個(gè)缺點(diǎn)是無(wú)法使用32kHz晶體工作。實(shí)際上，當(dāng)時(shí)鐘工作在1MHz與32kHz時(shí)，電源電流變化不大，但時(shí)鐘速度越快，定時(shí)環(huán)路就會(huì)變得棘手。為了解決時(shí)序問(wèn)題，采用MAX931比較器設(shè)計(jì)了外部晶體振蕩器（見圖1）。該比較器僅消耗3μA靜態(tài)電流，因此在整個(gè)電路工作期間保持供電，而不會(huì)顯著縮短電池壽命。一個(gè)10MΩ電阻將比較器偏置到其線性區(qū)域，一個(gè)1MΩ電阻緩沖比較器輸出擺幅的晶體。

圖2.溫度傳感器、處理器、存儲(chǔ)器和上電復(fù)位監(jiān)控器，以及圖32所示的升壓轉(zhuǎn)換器和1kHz振蕩器，都包含在安裝在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的數(shù)據(jù)記錄板上。

E2存儲(chǔ)器的選擇方式與許多組件的選擇方式相同 - 它位于組件機(jī)柜中（見圖2）。為了不使E2存儲(chǔ)器過(guò)載，選擇了十分鐘的采樣率;此外，該采樣率提供了足夠的分辨率，可以看到溫度變化。因此，內(nèi)存必須每小時(shí)保存 6 個(gè)結(jié)果、每天 144 個(gè)結(jié)果或每月（4464 天）保存 31 個(gè)結(jié)果。Atmel AT24C128 內(nèi)存芯片是 128k 位，排列為 16k 字節(jié)，因此記錄器可以在溢出之前記錄 113 天的數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)器在I2C總線上尋址，因此將來(lái)可以擴(kuò)展電路，而無(wú)需額外的處理器I/O引腳。工作時(shí)消耗 2mA，待機(jī)時(shí)消耗 6μA。此外，該設(shè)備由Microchip二次采購(gòu)，從而消除了生產(chǎn)周期中潛在的麻煩。

處理器上增加了一個(gè)上電復(fù)位監(jiān)控器，以確保在啟動(dòng)和掉電條件后正常運(yùn)行。由于靜態(tài)電流非常寶貴，因此選擇MAX6346UR46D3，因?yàn)樗撵o態(tài)電流為1μA （最大值為1.75μA）。

UART和RS-232收發(fā)器被添加到單獨(dú)的電路板上，因?yàn)樵谟涗涍^(guò)程中不需要它們（圖3）。記錄板和UART板通過(guò)用處理器代碼編寫的SPI接口連接;記錄器的微控制器直接連接到UART的SPI接口。MAX3232E RS-232收發(fā)器使用比舊RS-232器件更快的電荷泵頻率，因此只需要0.1uF電容。該器件提供 ±15kV 的 ESD 保護(hù)。

圖3.UART和RS-232收發(fā)器安裝在插件板上。該板僅在從數(shù)據(jù)記錄器板中提取數(shù)據(jù)時(shí)才起作用。

設(shè)計(jì)過(guò)程

硬件

選擇元件后，對(duì)電路的電流消耗進(jìn)行粗略估計(jì)，以確定使用哪種升壓轉(zhuǎn)換器以及要包含多少電池。由于做出這些選擇并不是一門精確的科學(xué)，因此使用了小型低成本升壓轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器具有足夠的能力為電路供電;該器件MAX1605可在30V時(shí)提供5mA電流（圖1）。為了確定是否需要一個(gè)或兩個(gè)電池為電路供電，必須估計(jì)從電池中排出的電流。該過(guò)程的第一步是將各種IC的靜態(tài)電流和工作電流相加;必須考慮這兩種電流，因?yàn)殡娐吠瑫r(shí)在待機(jī)模式和活動(dòng)模式下工作。

處理器和 E2 內(nèi)存的電源電流均針對(duì)空閑模式和完全運(yùn)行指定。假設(shè)溫度傳感器在室溫下給出約50ms的輸出周期，則假設(shè)處理器和內(nèi)存每100分鐘完全運(yùn)行約10ms，對(duì)應(yīng)于0.016%的占空比。這兩個(gè)器件的全7mA工作電流構(gòu)成了電路工作電流的大部分，在整個(gè)占空比內(nèi)產(chǎn)生1.16μA的平均電流。因此，僅使用每個(gè)電路元件的待機(jī)電流之和來(lái)計(jì)算功耗，因?yàn)槿ぷ麟娏鲗?duì)待機(jī)電流的加法可以忽略不計(jì)。

圖中顯示了電路中所有器件的靜態(tài)電流 下面：

表 1.

表 1.雖然此表列出了每個(gè)IC的平均工作電流，但此處列出了AT24C128 EEPROM和AT90S2313微控制器的待機(jī)電流，因?yàn)樗鼈儍H在獲取溫度讀數(shù)的短時(shí)間內(nèi)處于活動(dòng)狀態(tài)。

確定MAX1605的靜態(tài)電流凸顯了低功耗領(lǐng)域關(guān)于如何指定元件靜態(tài)電流的爭(zhēng)論。應(yīng)將其指定為器件的“獨(dú)立”電流還是在典型電路中工作時(shí)？MAX1605數(shù)據(jù)資料列出了18μA的靜態(tài)電流，該電流流入MAX1605的Vcc引腳，反饋引腳被迫略高于其調(diào)節(jié)電壓。這是器件的獨(dú)立電流 - 衡量器件電流消耗的良好指標(biāo)，與其外部組件無(wú)關(guān)。然而，為了更好地了解電路的靜態(tài)電流，必須在無(wú)負(fù)載工作時(shí)測(cè)量電路，從而考慮開關(guān)損耗和元件功耗。該測(cè)量結(jié)果為上表中列出的144μA工作電流。

圖4.構(gòu)成該數(shù)據(jù)記錄板的元件的緊湊布局減少了在測(cè)試和實(shí)際工作條件下遇到問(wèn)題的機(jī)會(huì)。

將每個(gè)器件在5V時(shí)的電流消耗相加，可以猜測(cè)電池最壞情況下的電流消耗。所有由 5V 電源軌供電的器件的總電流消耗為

6μA + 750μA + 1.75μA + 250μA + 11μA = 1.02mA。

當(dāng)兩節(jié)電池為電路供電時(shí)，假設(shè)平均電池電壓為2.8V。要將上述功耗圖轉(zhuǎn)換為電池必須提供的電流，必須首先將其乘以 5/2.8。假設(shè)效率約為 80%，則結(jié)果必須除以 0.8。MAX1605的電流消耗（144μA，由電池電壓供電）相加。因此，預(yù)計(jì)電池的電流消耗為2.42mA。請(qǐng)注意，如果僅使用一個(gè)電池，則此電流大約是該數(shù)字的兩倍。

為了交叉驗(yàn)證上述假設(shè)，測(cè)量了電池的電流消耗，發(fā)現(xiàn)為1.88mA，證明該理論與實(shí)踐相去不遠(yuǎn)。

現(xiàn)在可以確定用于為一個(gè)月的日志記錄數(shù)據(jù)供電的電池。金霸王AA堿性電池的容量為2.7A小時(shí)。串聯(lián)的兩個(gè)電池具有與單個(gè)電池相同的電池容量，因?yàn)榱鬟^(guò)兩個(gè)電池的電流量相同。因此，當(dāng)對(duì)數(shù)電路消耗2.42mA時(shí)，電路可以記錄數(shù)據(jù)的最長(zhǎng)時(shí)間為

2.7A-小時(shí)/（2.42mA × 24 小時(shí)） = 46 天。

將電池?cái)?shù)量減少到一個(gè)將使電池排出的電流增加一倍，電池壽命僅為 23 天;需要兩個(gè)單元格。然而，鑒于上面計(jì)算的電流消耗是近似值，允許 46 天的記錄時(shí)間應(yīng)該確保在 31 天內(nèi)有足夠的電池電量 - 盡管對(duì)電路存在其他威脅，如電池自泄漏、溫度對(duì)電池的影響或環(huán)境溫度超過(guò) 85°C 大幅增加。

當(dāng)電源連接到電路的其余部分時(shí)，輸出鉭電容兩端的輸出電壓為5.04V，紋波電壓為60mVpk-pk。該紋波電壓與MAX400輸出端電解電容測(cè)得的1605mV紋波電壓形成鮮明對(duì)比，表明在任何DC/DC轉(zhuǎn)換器電路中都需要使用低ESR電容。由于MAX1605是自舉的（由其自身的輸出電壓供電），并且芯片不直接接觸輸入電壓，因此我們可以對(duì)輸入電容規(guī)格更加寬松;使用33uF電解電容器。在MAX1605直接連接到輸入電壓的情況下，鉭電容應(yīng)與0.1uF陶瓷電容并聯(lián)，并靠近Vcc引腳放置。

順便提一下，選擇MAX1605的自舉工作模式是因?yàn)镸AX1605內(nèi)部FET的電壓增加，因此該模式的轉(zhuǎn)換器效率略高于非自舉模式。此外，一旦器件啟動(dòng)，它就會(huì)由自身的5V供電，允許電池電壓在轉(zhuǎn)換器停止工作之前衰減到低得多的電壓，從而使自舉模式成為電池操作的理想選擇。MAX1605的啟動(dòng)電壓為2.3V（數(shù)據(jù)資料規(guī)定最大啟動(dòng)電壓為2.4V），但一旦工作，輸入電壓可以降至1.0V，轉(zhuǎn)換器繼續(xù)工作。這進(jìn)一步保證了電池可以在不影響電路運(yùn)行的情況下顯著放電。

軟件

代碼是作為一系列子例程編寫的，這使得它更易于閱讀、編寫和調(diào)試。為了節(jié)省電量，處理器在僅運(yùn)行其內(nèi)部計(jì)時(shí)器的情況下空閑，并且如上所述，每十分鐘喚醒一次以記錄溫度。處理器在被計(jì)時(shí)器溢出中斷時(shí)喚醒，計(jì)時(shí)器溢出是通過(guò)用正確的數(shù)字預(yù)加載處理器的 16 位計(jì)時(shí)器來(lái)創(chuàng)建的，以使寄存器在 10 分鐘后溢出。使用 32.768kHz 晶體意味著每 19 分鐘需要 10 萬(wàn)個(gè)時(shí)鐘周期。16 位計(jì)數(shù)器在 65536 計(jì)數(shù)后溢出，因此添加了 1024 預(yù)分頻器。10 分鐘后，添加預(yù)分頻器，計(jì)時(shí)器計(jì)數(shù)為 19200（[60 × 10 × 32768]/1024）。為了確保計(jì)時(shí)器在 10 分鐘后溢出，它預(yù)加載了 （65536 - 19200） = 46336：相當(dāng)于 B5十六進(jìn)制被加載到頂部 8 位寄存器中。

一旦進(jìn)入中斷程序，處理器等待MAX6576輸出端出現(xiàn)上升沿，然后啟動(dòng)8位定時(shí)器。由于 8 位定時(shí)器只能計(jì)數(shù)到 256，因此還必須為該定時(shí)器選擇合適的預(yù)分頻器。記錄儀預(yù)計(jì)看到的最高溫度估計(jì)為100°C。 MAX6576設(shè)置為160us/°K輸出時(shí)，輸出周期為59.68ms。這個(gè)周期相當(dāng)于 1955 個(gè)時(shí)鐘周期的計(jì)數(shù)。使用預(yù)分頻器8可將計(jì)數(shù)減少到244，但同時(shí)降低了測(cè)量的分辨率。在沒(méi)有預(yù)分頻器的情況下運(yùn)行允許處理器將溫度分辨率為 1/5 度 （1/[160us × 32768]）;使用預(yù)分頻器，分辨率降至8/5°C。 不過(guò)，預(yù)分頻器引起的精度下降不會(huì)顯著影響電路的精度。然而，在溫度圖中可以清楚地看到8/5°C的分辨率。

測(cè)量結(jié)果并將其加載到E2存儲(chǔ)器中。I2C例程是作為一系列子例程編寫的，用于處理數(shù)據(jù)和確認(rèn)的讀取和寫入操作。然后將這些子例程合并到另外兩個(gè)子例程（Writemem 和 Readmem）中，因此在執(zhí)行過(guò)程中只需要調(diào)用這兩個(gè)子例程，這使得 I2C 噩夢(mèng)變得微不足道。由于E2存儲(chǔ)器需要10ms進(jìn)行編程，因此在寫入周期結(jié)束時(shí)增加了一個(gè)延遲例程。

最后，從以前的項(xiàng)目中竊取了一個(gè)通用的UART例程;程序中的變量根據(jù)需要進(jìn)行了更改。

測(cè)試

電路組裝完畢，留置2天記錄數(shù)據(jù)。記錄器每天增加約30秒，這并不完全達(dá)到預(yù)期的<>ppm;目前正在對(duì)此進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)查。

處理器軟件允許通過(guò)選擇端口引腳（引腳 4）來(lái)寫入或讀取 E2 存儲(chǔ)器。該引腳在記錄期間焊接得很低，在回讀期間焊接得很高。溫度結(jié)果與預(yù)期不符。發(fā)現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題是由于MAX0缺少1.6576uF旁路電容造成的。由于該電容器，溫度傳感器上電和記錄其結(jié)果之間需要延遲。此延遲的長(zhǎng)度取決于端口引腳的電流限制，該限值與定時(shí)電容器的值一起決定了定時(shí)電容器的充電時(shí)間。一旦插入電容器并增加延遲，記錄器就被設(shè)置為再記錄兩天。第二次下載顯示了一組與作者期望一致的結(jié)果。

表 2.

溫度 °C = [（計(jì)數(shù)/160us） × （8/32768）] - 273

表 2.該數(shù)據(jù)表示記錄電路連續(xù)獲取的五個(gè)讀數(shù)，以及相應(yīng)的溫度。

一旦從電路中清除了所有錯(cuò)誤，插入電池座，牢固地安裝電路并連接電池。時(shí)間是7年30月18日晚上2001點(diǎn)3分。初始電池電壓測(cè)量為19.<>V。

然后將電路牢固地安裝在提交人汽車的引擎蓋下，緊挨著電池。汽車電池安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)最涼爽的部分之一，以防止電解液沸騰，因此可以保證電路不會(huì)變成木炭混亂。

然后等待開始了...

結(jié)果

30天后，取出數(shù)據(jù)記錄儀并進(jìn)行檢查。它（令人驚訝）被發(fā)現(xiàn)完好無(wú)損，每10分鐘記錄一次。電池電壓已降至2.62V，證實(shí)了最初的計(jì)算，即電路中將留下足夠的壽命。電池已斷開，端口B引腳4焊接為高電平以防止內(nèi)存損壞。數(shù)據(jù)被下載到PC中（作者使用了一個(gè)粗糙的Visual Basic例程）并加載到一個(gè)文件中。數(shù)據(jù)是使用Microsoft Excel繪制的。

結(jié)果符合預(yù)期，盡管沒(méi)有注意到極端溫度。這可能是由于記錄儀安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)艙相對(duì)涼爽的區(qū)域，以及2001年144月下旬和25月上半月英國(guó)的溫和天氣。取讀數(shù)的平均值（每<>個(gè)結(jié)果的平均值，即一天）使我們能夠確定環(huán)境溫度的變化。測(cè)量溫度在第<>天明顯升高。這確實(shí)與當(dāng)時(shí)英格蘭南部的溫和熱浪相對(duì)應(yīng)。

圖7.此溫度與時(shí)間的關(guān)系圖顯示了收集的各個(gè)溫度讀數(shù)以及這些讀數(shù)的 1 天移動(dòng)平均值。

進(jìn)一步發(fā)展和結(jié)論

毫無(wú)疑問(wèn)，所使用的處理器不是市場(chǎng)上功耗最低的設(shè)備。但是，它為該任務(wù)提供了一個(gè)方便的解決方案。如果需要更長(zhǎng)的記錄時(shí)間，或者如果 2 芯堿性電池組不可行，市場(chǎng)上有些設(shè)備消耗的功率要少得多。保持盡可能低的時(shí)鐘頻率也會(huì)降低這種電流。

在整個(gè)日志記錄過(guò)程中，無(wú)法確定內(nèi)存是否已損壞。對(duì)軟件的簡(jiǎn)單修改可以允許在連續(xù)日志之間下載E2內(nèi)存，以確保數(shù)據(jù)完好無(wú)損。

該電路最初旨在提供一個(gè)通用數(shù)據(jù)記錄平臺(tái)，以評(píng)估各種模擬和數(shù)字傳感器。因此，包括DC/DC轉(zhuǎn)換器，為所有電路提供恒定的5V。如果傳感器不需要 5V，則處理器和內(nèi)存可以直接在電池電壓下工作，前提是相應(yīng)地更改上電復(fù)位監(jiān)控器。

該電路按預(yù)期工作，令人驚訝地承受了應(yīng)用工程師擁有的汽車的振動(dòng)。結(jié)果顯示了良好的數(shù)據(jù)分布，有趣的是，沒(méi)有觀察到預(yù)期的極端溫度（100°C +）。但是，如果在埃及的夏日重復(fù)此實(shí)驗(yàn)，結(jié)果可能會(huì)略有不同。

圖8.在數(shù)據(jù)記錄的第一周獲取的數(shù)據(jù)圖中，可以明顯看出8/5°C的溫度分辨率。

審核編輯：郭婷